KR101909928B1 - 위상 차 분석을 이용한 중금속 제거 효율 분석 방법 및 이를 이용한 장치 - Google Patents
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Abstract
위상 차 분석을 이용한 중금속 제거 효율 분석 방법 및 이를 이용한 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 중금속 제거 효율 분석 방법은 코일 방향이 동일한 제1 솔레노이드 코일과 제2 솔레노이드 코일을 기반으로 중금속이 흡착된 마그네타이트(magnetite)에 자기장을 인가하는 단계; 제1 솔레노이드 코일 및 제2 솔레노이드 코일과 코일 방향이 다른 제3 솔레노이드 코일을 기반으로 마그네타이트에 고주파 신호를 인가하는 단계; 마그네타이트에 의해 변형 고주파 신호를 검출하고, 사전에 검출된 디폴트 고주파 신호와 변형 고주파 신호의 위상 차를 계산하는 단계; 및 위상 차를 기반으로 중금속의 농도를 측정하여 마그네타이트의 중금속 제거 효율을 분석하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 중금속 제거 효율을 실시간으로 분석하는 기술에 관한 것으로, 특히 중금속 흡착제로 마그네타이트 입자를 이용하고, 중금속이 흡착된 마그네타이트에 의해 변형되는 신호의 위상 차를 분석함으로써 신속하게 중금속 제거 효율을 분석할 수 있는 위상 차 분석을 이용한 중금속 제거 효율 분석 방법 및 이를 이용한 장치에 관한 것이다.
현대 사회에서는 수계에서 특정 오염 물질을 제거하거나, 오염 물질을 제거하는 시스템의 효율성을 측정하는 일이 매우 중요한 기술중의 하나이다. 대표적인 예로써, 상수도 공급 시설의 가장 중요한 임무중의 하나가, 다양한 소스에서 유입되는 원수에서 다양한 종류의 흡착제 및 화학 물질을 이용하여 중금속, 독성 유기 물질 및 미생물 등을 분리 제거 하는 것이다. 이와 같은 분리 제거를 위해 환경, 화학 및 반도체 등 여러 분야의 다양한 산업 시설에서도 다양한 종류의 기술과 설비가 개발되고 있다.
하지만, 실제 현장에서 가장 많이 활용되고 있는 분리 기술 중 하나는 흡착제를 이용하여 물속에 있는 중금속 및 독성 유기물질을 제거 하는 것이다. 현재까지는 활성 탄소, 제올라이트 및 산화 알루미늄 등을 흡착제로 가장 많이 사용하고 있다. 이와 같은 흡착제를 이용하여 제거 하고자 물질을 흡착한 뒤 침전 및 여과 등의 방법으로 슬러지 형태로 만들고, 다시 매립 등의 방법을 이용하여 중금속 및 독성 유기물질을 폐기하고 있다.
그러나, 흡착제를 이용하는 분리 방법의 단점은, 흡착제로 사용되는 물질들이 한번만 쓰고 매립하기에는 상당히 고가이며, 사용한 흡착제를 다시 회수하기 위해서는 침전이나 필터와 같이 시간이나 비용이 많이 필요한 방법을 이용하여야 한다는 점이다. 또한, 실제로 이와 같은 고가의 흡착제에 중금속 흡착이 얼마나 발생하였는지 여부를 실시간으로 확인하기 어렵기 때문에, 실제 현장에서 필요한 만큼의 흡착제가 투입 되지 않고 고가의 흡착제가 낭비 되는 현상이 발생하기도 한다.
즉, 현재까지 가장 많이 사용하는 분석 기술은, 시료 자체를 직접 채취하여 ICP, HPLC, GC와 같은 유기물 분석 장비 및 ICP, AES, IC와 같은 금속성 무기물 분석 장치 등의 고가의 분석 장비를 이용하여야 하기 때문에 실시간으로 처리 여부를 판단해야 하는 현장 스크리닝(Screening) 장비로는 적합하지 않다.
따라서, 시스템의 제어 및 효율성 제고의 측면에서 가장 중요한, 실시간으로 흡착제에 의한 중금속 제거 효율을 분석하는 기술의 필요성이 절실하게 대두된다.
본 발명의 목적은 고가의 흡착제를 사용하지 않고, 흡착 효율을 실시간으로 분석할 수 있는 분리 분석 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 친환경적으로 재활용할 수 있는 마그네타이트 입자를 흡착제로 이용하여 침전이나 여과 등의 방법을 사용하지 않고도 흡착제를 회수할 수 있는 중금속 제거 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 실제 산업 현장에서 사용될 수 있는 실시간 스크리닝 기술을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 분석되는 물질의 종류를 정확히 알기는 어렵지만, 고가의 분석 장비를 이용하지 않고도 실시간으로 중금속 제거 효율을 분석하는 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 중금속 제거 효율 분석 방법은, 코일 방향이 동일한 제1 솔레노이드 코일과 제2 솔레노이드 코일을 기반으로 중금속이 흡착된 마그네타이트(magnetite)에 자기장을 인가하는 단계; 상기 제1 솔레노이드 코일 및 상기 제2 솔레노이드 코일과 상기 코일 방향이 다른 제3 솔레노이드 코일을 기반으로 상기 마그네타이트에 고주파 신호를 인가하는 단계; 상기 마그네타이트에 의해 변형 고주파 신호를 검출하고, 사전에 검출된 디폴트 고주파 신호와 상기 변형 고주파 신호의 위상 차를 계산하는 단계; 및 상기 위상 차를 기반으로 상기 중금속의 농도를 측정하여 상기 마그네타이트의 중금속 제거 효율을 분석하는 단계를 포함한다.
이 때, 위상 차를 계산하는 단계는 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)을 기반으로 상기 디폴트 고주파 신호와 상기 변형 고주파 신호를 각각 주파수 함수로 변환하고, 상기 주파수 함수에 포함된 위상을 비교하여 상기 위상 차를 계산할 수 있다.
이 때, 분석하는 단계는 상기 위상 차에 비례하게 상기 중금속의 농도를 측정할 수 있다.
이 때, 제1 솔레노이드 코일과 상기 제2 솔레노이드 코일은, 시료 삽입구를 갖는 제1 보빈에 에나멜 코일을 동일한 방향으로 기설정된 턴(turn)만큼 각각 감은 형태에 상응하고, 상기 제3 솔레노이드 코일은, 상기 제1 보빈보다 상기 시료 삽입구가 작고 상기 제1 보빈의 내부에 위치하는 제2 보빈에 상기 제1 솔레노이드 코일 및 상기 제2 솔레노이드 코일과 다른 방향으로 상기 에나멜 코일을 감은 형태에 상응할 수 있다.
이 때, 디폴트 고주파 신호는 중금속 흡착이 없는 마그네타이트에 상기 자기장과 함께 상기 고주파 신호를 인가하여 검출되는 신호에 상응할 수 있다.
이 때, 위상 차를 계산하는 단계는 상기 디폴트 고주파 신호에 상응하는 위상을 0으로 설정하였을 경우의 상기 변형 고주파 신호의 위상을 상기 위상 차의 값으로 추출할 수 있다.
이 때, 위상 차를 계산하는 단계는 오실로스코프(Oscilloscope) 및 스펙트럼 분석기(Spectrum analyzer) 중 적어도 하나의 기능을 포함하는 DAQ(Data Acquisition) 시스템을 기반으로 상기 디폴트 고주파와 상기 변형 고주파 신호를 검출할 수 있다.
이 때, 중금속 제거 효율 분석 방법은 마그네타이트가 흡착제로 첨가된 처리수에서 전자석을 이용하여 상기 중금속이 흡착된 마그네타이트를 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 중금속 제거 효율 분석 장치는, 코일 방향이 동일한 제1 솔레노이드 코일과 제2 솔레노이드 코일을 기반으로 중금속이 흡착된 마그네타이트(magnetite)에 자기장을 인가하는 자기장 인가부; 상기 제1 솔레노이드 코일 및 상기 제2 솔레노이드 코일과 상기 코일 방향이 다른 제3 솔레노이드 코일을 기반으로 상기 마그네타이트에 고주파 신호를 인가하는 고주파 신호 인가부; 상기 마그네타이트에 의해 변형 고주파 신호를 검출하고, 사전에 검출된 디폴트 고주파 신호와 상기 변형 고주파 신호의 위상 차를 계산하는 위상 차 계산부; 및 상기 위상 차를 기반으로 상기 중금속의 농도를 측정하여 상기 마그네타이트의 중금속 제거 효율을 분석하는 제거 효율 분석부를 포함한다.
이 때, 위상 차 계산부는 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)을 기반으로 상기 디폴트 고주파 신호와 상기 변형 고주파 신호를 각각 주파수 함수로 변환하고, 상기 주파수 함수에 포함된 위상을 비교하여 상기 위상 차를 계산할 수 있다.
이 때, 제거 효율 분석부는 상기 위상 차에 비례하게 상기 중금속의 농도를 측정할 수 있다.
이 때, 제1 솔레노이드 코일과 상기 제2 솔레노이드 코일은, 시료 삽입구를 갖는 제1 보빈에 에나멜 코일을 동일한 방향으로 기설정된 턴(turn)만큼 각각 감은 형태에 상응하고, 상기 제3 솔레노이드 코일은, 상기 제1 보빈보다 상기 시료 삽입구가 작고 상기 제1 보빈의 내부에 위치하는 제2 보빈에 상기 제1 솔레노이드 코일 및 상기 제2 솔레노이드 코일과 다른 방향으로 상기 에나멜 코일을 감은 형태에 상응할 수 있다.
이 때, 디폴트 고주파 신호는 중금속 흡착이 없는 마그네타이트에 상기 자기장과 함께 상기 고주파 신호를 인가하여 검출되는 신호에 상응할 수 있다.
이 때, 위상 차 계산부는 상기 디폴트 고주파 신호에 상응하는 위상을 0으로 설정하였을 경우의 상기 변형 고주파 신호의 위상을 상기 위상 차의 값으로 추출할 수 있다.
이 때, 위상 차 계산부는 오실로스코프(Oscilloscope) 및 스펙트럼 분석기(Spectrum analyzer) 중 적어도 하나의 기능을 포함하는 DAQ(Data Acquisition) 시스템을 기반으로 상기 디폴트 고주파와 상기 변형 고주파 신호를 검출할 수 있다.
이 때, 중금속 제거 효율 분석 장치는 마그네타이트가 흡착제로 첨가된 처리수에서 전자석을 이용하여 상기 중금속이 흡착된 마그네타이트를 분리하는 마그네타이트 분리부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 고가의 흡착제를 사용하지 않고, 흡착 효율을 실시간으로 분석할 수 있는 분리 분석 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 친환경적으로 재활용할 수 있는 마그네타이트 입자를 흡착제로 이용하여 침전이나 여과 등의 방법을 사용하지 않고도 흡착제를 회수할 수 있는 중금속 제거 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 실제 산업 현장에서 사용될 수 있는 실시간 스크리닝 기술을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 분석되는 물질의 종류를 정확히 알기는 어렵지만, 고가의 분석 장비를 이용하지 않고도 실시간으로 중금속 제거 효율을 분석하는 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 위상 차 분석을 이용한 중금속 제거 효율 분석 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 중금속 제거 및 중금속 제거 효율을 분석하는 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 마그네타이트를 분리하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 솔레노이드 코일들의 배치를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 제1 솔레노이드 코일, 제2 솔레노이드 코일 및 제1 보빈을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 제3 솔레노이드 코일 및 제2 보빈을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 위상 차 분석을 이용한 중금속 제거 효율 분석 장치를 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 중금속 제거 및 중금속 제거 효율을 분석하는 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 마그네타이트를 분리하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 솔레노이드 코일들의 배치를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 제1 솔레노이드 코일, 제2 솔레노이드 코일 및 제1 보빈을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 제3 솔레노이드 코일 및 제2 보빈을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 위상 차 분석을 이용한 중금속 제거 효율 분석 장치를 나타낸 블록도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 위상 차 분석을 이용한 중금속 제거 효율 분석 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 위상 차 분석을 이용한 중금속 제거 효율 분석 방법은 코일 방향이 동일한 제1 솔레노이드 코일과 제2 솔레노이드 코일을 기반으로 중금속이 흡착된 마그네타이드(magnetite)에 자기장을 인가한다(S110).
이 때, 마이크로(micro) 크기 또는 나노(nano) 크기의 마그네타이트 입자를 흡착제 이용할 수 있다. 예를 들어, 중금속이나 독성 유기물질이 포함된 처리수 또는 오염수에 5.0 um(마이크로 미터)의 마그네타이트를 1g 정도 첨가하여 흡착제로 사용할 수 있다.
이 때, 제1 솔레노이드 코일과 제2 솔레노이드 코일에는 각각 교류 전류(AC)가 인가될 수 있다.
이 때, 특정한 주파수를 갖는 자기장을 발생시키기 위해, 제1 솔레노이드 코일과 제2 솔레노이드 코일에 인가되는 전류량을 조절하여 각각 다른 세기의 교류 전류를 인가할 수 있다. 예를 들어, 제1 솔레노이드 코일에는 약 10~100Hz 사이의 교류 전압(AC)을 인가할 수 있고, 제2 솔레노이드 코일에는 약 10~100KHz 사이의 교류 전압을 인가할 수 있다.
이 때, 제1 솔레노이드 코일과 제2 솔레노이드 코일은, 시료 삽입구를 갖는 제1 보빈에 에나멜 코일을 동일한 방향으로 기설정된 턴(turn)만큼 각각 감은 형태에 상응할 수 있다.
예를 들어, 약 15mm의 시료 삽입구를 가지고 있는 약 10cm 길이의 제1 보빈에 0.1mm의 직경을 가진 에나멜 코일을 500 턴 감아서 제1 솔레노이드 코일을 생성할 수 있다. 이 후, 제1 솔레노이드 코일과 절연한 뒤, 제1 보빈에서 제1 솔레노이드 코일을 감은 위치의 아래에 동일한 방향으로 에나멜 코일을 500 턴 감아서 제2 솔레노이드 코일을 생성할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 위상 차 분석을 이용한 중금속 제거 효율 분석 방법은 제1 솔레노이드 코일 및 제2 솔레노이드 코일과 코일 방향이 다른 제3 솔레노이드 코일을 기반으로 마그네타이트에 고주파 신호를 인가한다(S120).
이 때, 제1 보빈과 제2 보빈은 원통형의 관 형태에 상응할 수 있으며, 제1 솔레노이드 코일과 제2 솔레노이드 코일이 감긴 제1 보빈의 내부에 제3 솔레노이드 코일이 감긴 제2 보빈을 끼워 넣어 배치될 수 있다. 또한, 제1 보빈에 끼워진 제2 보빈의 시료 삽입구를 통해서 중금속이 흡착된 마그네타이트가 제2 보빈의 내부로 진입할 수 있다.
이 때, 중금속이 흡착된 마그네타이트에는 제1 솔레노이드 코일 및 제2 솔레노이드 코일을 기반으로 발생하는 자기장과 고주파 신호가 함께 인가될 수 있다.
이 때, 제3 솔레노이드 코일은, 제1 보빈보다 시료 삽입구가 작고 제1 보빈의 내부에 위치하는 제2 보빈에 제1 솔레노이드 코일 및 제2 솔레노이드 코일과 다른 방향으로 에나멜 코일을 감은 형태에 상응할 수 있다. 즉, 제1 솔레노이드 코일과 제2 솔레노이드 코일에 대해서 Differential한 방향으로 에나멜 코일을 감아 제3 솔레노이드 코일을 생성할 수 있다.
이 때, 제3 코일의 신호를 증폭시켜 고주파의 신호를 발생시킬 수 있다.
즉, 제2 보빈의 내부에 위치하는 마그네타이트에 제1 솔레노이드 코일 및 제2 솔레노이드 코일에 의한 자기장과 함께 제3 솔레노이드 코일에 의한 고주파 신호를 함께 여기할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 위상 차 분석을 이용한 중금속 제거 효율 분석 방법은 마그네타이트에 의해 변형 고주파 신호를 검출하고, 사전에 검출된 디폴트 고주파 신호와 변형 고주파 신호의 위상 차를 계산한다(S130).
이 때, 디폴트 고주파 신호는 중금속 흡착이 없는 마그네타이트에 자기장과 함께 고주파 신호를 인가하여 검출되는 신호에 상응할 수 있다.
이 때, 마그네타이트와 같은 산화철 입자는 특정 주파수를 가지는 교류 전류의 자기장 영역에서는 Brownian relaxation 및 Neel relaxation 중 어느 하나에 상응하는 진동 운동을 수행할 수 있다. 이 때, 진동 운동은 마그네타이트 입자가 자기장의 방향을 따라 정렬하려고 할 때 발생하는 진동에 상응할 수 있다. 이 때, 발생하는 진동 운동은 자기장과 함께 인가되는 고주파의 위상에 변화를 주게 된다.
이 때, 중금속이 흡착된 마그네타이트와 중금속 흡착이 없는 마그네타이트에서 각각 발생하는 진동 운동의 시간, 즉 완화 시간(relaxation time)의 차이로 인해 디폴트 고주파 신호의 위상 변화 정도와 변형 고주파 신호의 위상 변화 정도에 차이가 발생할 수 있다.
따라서, 두 고주파 신호의 위상 차를 계산하여 마그네타이트에 흡착된 중금속의 양 또는 중금속의 농도를 측정하는 것이 가능할 수 있다.
이 때, 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)을 기반으로 디폴트 고주파 신호와 변형 고주파 신호를 각각 주파수 함수로 변환하고, 주파수 함수에 포함된 위상을 비교하여 위상 차를 계산할 수 있다.
이 때, 고속 푸리에 변환이란 이산 푸리에 변환과 그 역변환을 빠르게 수행하는 효율적인 알고리즘에 상응할 수 있다.
이 때, 이산 푸리에 변환은 시간축 상에서의 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하는 것에 상응할 수 있다. 이 때, 모든 파동 또는 파형은 단순한 정형파의 합으로 표현이 가능하므로, 디폴트 고주파 신호나 변형 고주파 신호도 서로 다른 주파수를 가진 정현파의 분해합으로 표현할 수 있다.
이 때, 푸리에 변환은 복소수를 기반으로 진폭과 위상을 같이 표시하기 때문에 푸리에 변환을 통해 디폴트 고주파 신호와 변형 고주파 신호의 위상을 쉽게 확인할 수 있다.
따라서, 디폴트 고주파 신호와 변형 고주파 신호의 위상을 각각 확인하여 두 신호 간의 위상 차를 계산할 수 있다.
이 때, 디폴트 고주파 신호에 상응하는 위상을 0으로 설정하였을 경우의 변형 고주파 신호의 위상을 위상 차의 값으로 추출할 수 있다. 예를 들어, 디폴트 고주파 신호의 위상이 0이라고 설정하였을 경우에 변형 고주파 신호의 위상이 9라고 가정한다면 위상 차를 9도에 상응하게 계산할 수 있다.
이 때, 오실로스코프(Oscilloscope) 및 스펙트럼 분석기(Spectrum analyzer) 중 적어도 하나의 기능을 포함하는 DAQ(Data Acquisition) 시스템을 기반으로 디폴트 고주파와 변형 고주파 신호를 검출할 수 있다.
이 때, DAQ 시스템이란 물리적 현상에 대한 데이터 수집이 목적이며, 센서, DAQ 하드웨어, 신호컨디셔닝, DAQ 소프트웨어로 구성될 수 있다. 즉, 본 발명에서는 물리적 파동인 디폴트 주파수 신호와 변형 주파수 신호에 대한 데이터를 수집할 수 있다.
이 때, 오실로스코프는 특정 대역의 전압 변화를 확인할 수 있는 장치이며, 주기적으로 반복되는 전자 신호를 표시하는데 사용될 수 있다. 즉, 오실로스코프를 활용하면 시간에 따라 변화하는 신호를 주기적이고 반복적인 하나의 전압 형태로 파악할 수 있다.
이 때, 스펙트럼 분석기는 AM, FM 등의 피변조 신호에 대해서 에너지 분포, 잡음의 주파수 분석, 신호의 고저조파 성분, 혼변조곱이나 전송 선로의 특성 등을 측정하는데 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 위상 차 분석을 이용한 중금속 제거 효율 분석 방법은 위상 차를 기반으로 중금속의 농도를 측정하여 마그네타이트의 중금속 제거 효율을 분석한다(S140).
이 때, 위상 차에 비례하게 중금속의 농도를 측정할 수 있다. 따라서, 위상 차가 클수록 마그네타이트에 의해 검출된 중금속의 농도가 큰 것으로 판단할 수 있다. 따라서, 이러한 중금속 검출 농도를 기반으로 마그네타이트를 이용한 중금속 제거 효율을 판단하고, 실제 현장에서도 흡착제로써의 마그네타이트의 주입량을 판단할 수 있다.
또한, 도 1에는 도시하지 아니하였으나, 본 발명의 일실시예에 따른 위상 차 분석을 이용한 중금속 제거 효율 분석 방법은 마그네타이트가 흡착제로 첨가된 처리수에서 전자석을 이용하여 중금속이 흡착된 마그네타이트를 분리한다.
예를 들어, 염화 비소와 같은 유기물질이 포함된 처리수에 흡착제로 마그네타이트 입자를 첨가하였다고 가정할 수 있다. 이 때, 처리수와 흡착제를 잘 섞어주어 염화 비소가 마그네타이트 입자에 흡착되도록 반응시킨 후, 전자석을 이용하여 초상자성 물질인 마그네타이트를 분리할 수 있다.
이 때, 전자석은 일반 강력 자석도 사용할 수 있으나, 일반 자석의 경우에는 위치를 조절하여 강도를 조절하여야 하므로 실제 공정상에 이용하기에는 어려움이 있을 수 있다.
이와 같이 마그네타이트 입자를 흡착제로 사용하고, 전자석을 이용한 분리를 수행함으로써 기존의 침전, 여과 등의 방법으로 흡착제를 분리할 때보다 시간과 비용을 절감할 수 있다. 또한, 사용한 마그네타이트를 다시 재활용할 수 있어 고가의 흡착제를 한번만 사용하고 매립하여야 했던 기존의 방식보다 비용 절감 효과를 기대할 수도 있다.
이와 같이 위상 차를 이용한 중금속 제거 효율 분석 방법을 이용함으로써 고가의 흡착제를 사용하지 않고, 흡착 효율을 실시간으로 분석할 수 있는 분리 분석 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 친환경적으로 재활용할 수 있는 마그네타이트 입자를 흡착제로 이용하여 침전이나 여과 등의 방법을 사용하지 않고도 흡착제를 회수할 수 있다.
또한, 실제 산업 현장에서 사용될 수 있는 실시간 스크리닝 기술을 제공할 수 있으며, 분석되는 물질의 종류를 정확히 알 수는 없어도 고가의 분석 장비를 이용하지 않고 실시간으로 중금속 제거 효율을 분석하는 것이 가능하다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 중금속 제거 효율을 분석하는 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 중금속 제거 효율을 분석하는 시스템은 중금속이 포함된 처리수와 흡착제인 마그네타이트를 혼합하는 처리조(210), 처리조(210)의 내부에서 처리수와 마그네타이트를 혼합하기 위한 혼합기(211), 중금속이 흡착된 마그네타이트를 분리하기 위한 마그네타이트 분리 코일(212) 및 고주파 신호의 위상 검출 장치(213) 등을 포함할 수 있다.
이 때, 중금속 제거 효율 분석을 위한 과정을 순차적으로 설명하면, 먼저 중금속이나 독성 유기물질이 포함된 처리수를 처리조(210)로 주입시킬 수 있다.
이 후, 마그네타이트를 처리조(210)로 주입하고, 혼합기(211)를 통해 중금속 및 독성 유기물질과 마그네타이트가 반응하도록 혼합할 수 있다.
이 후, 처리수와 마그네타이트가 혼합된 물질이 처리조(210)의 하부로 이동하면, 마그네타이트 분리 코일(212)을 통해 처리수에서 중금속이 흡착된 마그네타이트만을 분리할 수 있다.
이 때, 분리된 마그네타이트는 위상 검출 장치(213)로 진입하고, 마그네타이트에 의한 변형 고주파 신호의 위상을 검출할 수 있다.
이 때, 본 발명에 따른 중금속 제거 효율 검출 장치는 도 2에 도시된 마그네타이트 분리 코일(212)과 위상 검출 장치(213)에 해당할 수 있다.
이 후, 변형 고주파 신호의 위상을 이용하여 중금속 제거 효율을 분석할 수 있다.
이 때, 슬러지화된 마그네타이트는 슬러지 이송 펌프를 통해 마그네타이트 재활용조(220)로 이동되고, 마그네타이트 재활용조(220)에서 다시 중금속이나 독성 유기물질들과 분리되어 재활용될 수 있다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 마그네타이트를 분리하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따라 전자석(430)을 이용하여 중금속과 마그네타이트가 혼합된 처리수(310, 410)에서 중금속이 흡착된 마그네타이트를 분리하는 것을 확인할 수 있다.
이 때, 실제 중금속 제거 효율 시스템에서는 처리수가 주입되는 처리조 내부에 도 4에 도시된 전자석(430) 역할의 마그네타이트 분리 코일을 구비하여 중금속이 흡착된 마그네타이트를 분리할 수 있다.
그러나, 도 4에서는 실제로 처리수에서 마그네타이트가 분리되는 과정을 보여주기 위해 전자석(430)을 이용한 분리를 수행하였다. 이 때, 일반 강력 자석을 이용하여 마그네타이트를 분리할 수도 있지만, 일반 자석의 경우에는 처리수(310, 410)와 일반 자석 사이의 위치를 조절하여 자석의 강도를 조절해야 하므로 실제 공정상에 이용하기에는 어려움이 있을 수 있다.
이 때, 전자석(430)을 이용함으로써 마그네타이트의 흡착과 분산을 자유롭게 조절할 수 있어 공정 효율을 도모할 수도 있다.
이 때, 도 4의 처리수(410)를 확인해보면, 도 3의 처리수(310)와 달리 중금속이 흡착된 마그네타이트 입자(420)가 전자석(430)쪽으로 분리된 것을 확인할 수 있다.
즉, 전자석(430)을 통해 분리를 수행하기 전에는 도 3과 같이 처리수(310)에 마그네타이트 입자(320)가 골고루 섞여 분포되어 있었다면, 도 4에서는 마그네타이트 입자(420)가 전자석(430)의 영향으로 일 측으로 분리될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 솔레노이드 코일들의 배치를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 솔레노이드 코일들은 가장 바깥쪽에 제1 솔레노이드 코일(520)과 제2 솔레노이드 코일(530)이 위치하고, 그 안쪽에 제3 솔레노이드 코일(540)이 위치하도록 배치될 수 있다.
이 때, 제1 솔레노이드 코일(520)과 제2 솔레노이드 코일(530)은 에나멜 코일이 감긴 방향이 동일하며, 동일한 턴(turn)으로 감아서 생성될 수 있다.
이 때, 제1 솔레노이드 코일(520)과 제2 솔레노이드 코일(530)은 절연된 상태에 상응할 수 있다.
이 때, 제1 솔레노이드 코일(520)과 제2 솔레노이드 코일(530)은 제1 보빈에 감아서 생성될 수 있다.
또한, 제3 솔레노이드 코일(540)은 제1 솔레노이드 코일(520) 및 제2 솔레노이드 코일(530)과는 감긴 방향이 반대이며, 제1 솔레노이드 코일(520)과 제2 솔레노이드 코일(530)의 턴 수를 합한 만큼 감아서 생성될 수 있다.
이 때, 제3 솔레노이드 코일(540)은 제2 보빈에 감아서 생성될 수 있다.
이 때, 제1 보빈은 제2 보빈보다 시료 삽입구가 큰 보빈으로, 제2 보빈이 제1 보빈의 내부에 끼워져 배치될 수 있다.
따라서, 제2 보빈에 감겨지는 제3 솔레노이드 코일(540)은 제1 보빈과 제2 보빈 사이의 영역(550)에 위치할 수 있으며, 시료(510)는 제2 보빈의 시료 삽입구를 통해 제2 보빈 내부 영역(560)으로 진입할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 제1 솔레노이드 코일, 제2 솔레노이드 코일 및 제1 보빈을 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 제1 보빈(610)에 제1 솔레노이드 코일(620)과 제2 솔레노이드 코일(630)이 순차적으로 배치될 수 있다.
이 때, 도 6과 같이 제1 솔레노이드 코일(620)과 제2 솔레노이드 코일(630)이 감긴 방향은 동일할 수 있으며, 각각 에나멜 코일을 동일한 턴(turn)으로 감아서 생성될 수 있다.
이 때, 도 6에 도시된 제1 솔레노이드 코일(620)이나 제2 솔레노이드 코일(630)은 설명의 편의를 위해 턴(turn) 수를 적게 감아 나타냈으나, 실제 장치에서는 더 많은 턴 수로 에나멜 코일을 감아서 제1 솔레노이드 코일이나 제2 솔레노이드 코일을 생성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 제3 솔레노이드 코일 및 제2 보빈을 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 제2 보빈(710)에 제3 솔레노이드 코일(720)이 배치될 수 있다.
이 때, 제3 솔레노이드 코일(720)은 도 6에 도시된 제1 솔레노이드 코일(620) 및 제2 솔레노이드 코일(630)과는 반대방향으로 에나멜 코일을 감아서 생성될 수 있다. 또한, 제3 솔레노이드 코일(720)은 도 6에 도시된 제1 솔레노이드 코일(620)과 제2 솔레노이드 코일(630)의 턴(turn)수를 합친 것만큼 에나멜 코일을 감아서 생성될 수 있다.
이 때, 도 7에 도시된 제3 솔레노이드 코일(720)은 설명의 편의를 위해 턴(turn) 수를 적게 감아 나타냈으나, 실제 장치에서는 더 많은 턴 수로 에나멜 코일을 감아서 제3 솔레노이드 코일을 생성할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 위상 차 분석을 이용한 중금속 제거 효율 분석 장치를 나타낸 블록도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 위상 차 분석을 이용한 중금속 제거 효율 분석 장치는 마그네타이트 분리부(810), 자기장 인가부(820), 고주파 신호 인가부(830), 위상 차 계산부(840), 제거 효율 분석부(850) 및 저장부(860)를 포함한다.
마그네타이트 분리부(810)는 마그네타이트가 흡착제로 첨가된 처리수에서 전자석을 이용하여 중금속이 흡착된 마그네타이트를 분리한다.
예를 들어, 염화 비소와 같은 유기물질이 포함된 처리수에 흡착제로 마그네타이트 입자를 첨가하였다고 가정할 수 있다. 이 때, 처리수와 흡착제를 잘 섞어주어 염화 비소가 마그네타이트 입자에 흡착되도록 반응시킨 후, 전자석을 이용하여 초상자성 물질인 마그네타이트를 분리할 수 있다.
이 때, 전자석은 일반 강력 자석도 사용할 수 있으나, 일반 자석의 경우에는 위치를 조절하여 강도를 조절하여야 하므로 실제 공정상에 이용하기에는 어려움이 있을 수 있다.
이와 같이 마그네타이트 입자를 흡착제로 사용하고, 전자석을 이용한 분리를 수행함으로써 기존의 침전, 여과 등의 방법으로 흡착제를 분리할 때보다 시간과 비용을 절감할 수 있다. 또한, 사용한 마그네타이트를 다시 재활용할 수 있어 고가의 흡착제를 한번만 사용하고 매립하여야 했던 기존의 방식보다 비용 절감 효과를 기대할 수도 있다.
자기장 인가부(820)는 코일 방향이 동일한 제1 솔레노이드 코일과 제2 솔레노이드 코일을 기반으로 중금속이 흡착된 마그네타이드(magnetite)에 자기장을 인가한다.
이 때, 마이크로(micro) 크기 또는 나노(nano) 크기의 마그네타이트 입자를 흡착제 이용할 수 있다. 예를 들어, 중금속이나 독성 유기물질이 포함된 처리수 또는 오염수에 5.0 um(마이크로 미터)의 마그네타이트를 1g 정도 첨가하여 흡착제로 사용할 수 있다.
이 때, 제1 솔레노이드 코일과 제2 솔레노이드 코일에는 각각 교류 전류(AC)가 인가될 수 있다.
이 때, 특정한 주파수를 갖는 자기장을 발생시키기 위해, 제1 솔레노이드 코일과 제2 솔레노이드 코일에 인가되는 전류량을 조절하여 각각 다른 세기의 교류 전류를 인가할 수 있다. 예를 들어, 제1 솔레노이드 코일에는 약 10~100Hz 사이의 교류 전압(AC)을 인가할 수 있고, 제2 솔레노이드 코일에는 약 10~100KHz 사이의 교류 전압을 인가할 수 있다.
이 때, 제1 솔레노이드 코일과 제2 솔레노이드 코일은, 시료 삽입구를 갖는 제1 보빈에 에나멜 코일을 동일한 방향으로 기설정된 턴(turn)만큼 각각 감은 형태에 상응할 수 있다.
예를 들어, 약 15mm의 시료 삽입구를 가지고 있는 약 10cm 길이의 제1 보빈에 0.1mm의 직경을 가진 에나멜 코일을 500 턴 감아서 제1 솔레노이드 코일을 생성할 수 있다. 이 후, 제1 솔레노이드 코일과 절연한 뒤, 제1 보빈에서 제1 솔레노이드 코일을 감은 위치의 아래에 동일한 방향으로 에나멜 코일을 500 턴 감아서 제2 솔레노이드 코일을 생성할 수 있다.
고주파 신호 인가부(830)는 제1 솔레노이드 코일 및 제2 솔레노이드 코일과 코일 방향이 다른 제3 솔레노이드 코일을 기반으로 마그네타이트에 고주파 신호를 인가한다.
이 때, 제1 보빈과 제2 보빈은 원통형의 관 형태에 상응할 수 있으며, 제1 솔레노이드 코일과 제2 솔레노이드 코일이 감긴 제1 보빈의 내부에 제3 솔레노이드 코일이 감긴 제2 보빈을 끼워 넣어 배치될 수 있다. 또한, 제1 보빈에 끼워진 제2 보빈의 시료 삽입구를 통해서 중금속이 흡착된 마그네타이트가 제2 보빈의 내부로 진입할 수 있다.
이 때, 중금속이 흡착된 마그네타이트에는 제1 솔레노이드 코일 및 제2 솔레노이드 코일을 기반으로 발생하는 자기장과 고주파 신호가 함께 인가될 수 있다.
이 때, 제3 솔레노이드 코일은, 제1 보빈보다 시료 삽입구가 작고 제1 보빈의 내부에 위치하는 제2 보빈에 제1 솔레노이드 코일 및 제2 솔레노이드 코일과 다른 방향으로 에나멜 코일을 감은 형태에 상응할 수 있다. 즉, 제1 솔레노이드 코일과 제2 솔레노이드 코일에 대해서 Differential한 방향으로 에나멜 코일을 감아 제3 솔레노이드 코일을 생성할 수 있다.
이 때, 제3 코일의 신호를 증폭시켜 고주파의 신호를 발생시킬 수 있다.
즉, 제2 보빈의 내부에 위치하는 마그네타이트에 제1 솔레노이드 코일 및 제2 솔레노이드 코일에 의한 자기장과 함께 제3 솔레노이드 코일에 의한 고주파 신호를 함께 여기할 수 있다.
위상 차 계산부(840)는 마그네타이트에 의해 변형 고주파 신호를 검출하고, 사전에 검출된 디폴트 고주파 신호와 변형 고주파 신호의 위상 차를 계산한다.
이 때, 디폴트 고주파 신호는 중금속 흡착이 없는 마그네타이트에 자기장과 함께 고주파 신호를 인가하여 검출되는 신호에 상응할 수 있다.
이 때, 마그네타이트와 같은 산화철 입자는 특정 주파수를 가지는 교류 전류의 자기장 영역에서는 Brownian relaxation 및 Neel relaxation 중 어느 하나에 상응하는 진동 운동을 수행할 수 있다. 이 때, 진동 운동은 마그네타이트 입자가 자기장의 방향을 따라 정렬하려고 할 때 발생하는 진동에 상응할 수 있다. 이 때, 발생하는 진동 운동은 자기장과 함께 인가되는 고주파의 위상에 변화를 주게 된다.
이 때, 중금속이 흡착된 마그네타이트와 중금속 흡착이 없는 마그네타이트에서 각각 발생하는 진동 운동의 시간, 즉 완화 시간(relaxation time)의 차이로 인해 디폴트 고주파 신호의 위상 변화 정도와 변형 고주파 신호의 위상 변화 정도에 차이가 발생할 수 있다.
따라서, 두 고주파 신호의 위상 차를 계산하여 마그네타이트에 흡착된 중금속의 양 또는 중금속의 농도를 측정하는 것이 가능할 수 있다.
이 때, 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)을 기반으로 디폴트 고주파 신호와 변형 고주파 신호를 각각 주파수 함수로 변환하고, 주파수 함수에 포함된 위상을 비교하여 위상 차를 계산할 수 있다.
이 때, 고속 푸리에 변환이란 이산 푸리에 변환과 그 역변환을 빠르게 수행하는 효율적인 알고리즘에 상응할 수 있다.
이 때, 이산 푸리에 변환은 시간축 상에서의 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하는 것에 상응할 수 있다. 이 때, 모든 파동 또는 파형은 단순한 정형파의 합으로 표현이 가능하므로, 디폴트 고주파 신호나 변형 고주파 신호도 서로 다른 주파수를 가진 정현파의 분해합으로 표현할 수 있다.
이 때, 푸리에 변환은 복소수를 기반으로 진폭과 위상을 같이 표시하기 때문에 푸리에 변환을 통해 디폴트 고주파 신호와 변형 고주파 신호의 위상을 쉽게 확인할 수 있다.
따라서, 디폴트 고주파 신호와 변형 고주파 신호의 위상을 각각 확인하여 두 신호 간의 위상 차를 계산할 수 있다.
이 때, 디폴트 고주파 신호에 상응하는 위상을 0으로 설정하였을 경우의 변형 고주파 신호의 위상을 위상 차의 값으로 추출할 수 있다. 예를 들어, 디폴트 고주파 신호의 위상이 0이라고 설정하였을 경우에 변형 고주파 신호의 위상이 9라고 가정한다면 위상 차를 9도에 상응하게 계산할 수 있다.
이 때, 오실로스코프(Oscilloscope) 및 스펙트럼 분석기(Spectrum analyzer) 중 적어도 하나의 기능을 포함하는 DAQ(Data Acquisition) 시스템을 기반으로 디폴트 고주파와 변형 고주파 신호를 검출할 수 있다.
이 때, DAQ 시스템이란 물리적 현상에 대한 데이터 수집이 목적이며, 센서, DAQ 하드웨어, 신호컨디셔닝, DAQ 소프트웨어로 구성될 수 있다. 즉, 본 발명에서는 물리적 파동인 디폴트 주파수 신호와 변형 주파수 신호에 대한 데이터를 수집할 수 있다.
이 때, 오실로스코프는 특정 대역의 전압 변화를 확인할 수 있는 장치이며, 주기적으로 반복되는 전자 신호를 표시하는데 사용될 수 있다. 즉, 오실로스코프를 활용하면 시간에 따라 변화하는 신호를 주기적이고 반복적인 하나의 전압 형태로 파악할 수 있다.
이 때, 스펙트럼 분석기는 AM, FM 등의 피변조 신호에 대해서 에너지 분포, 잡음의 주파수 분석, 신호의 고저조파 성분, 혼변조곱이나 전송 선로의 특성 등을 측정하는데 사용될 수 있다.
제거 효율 분석부(850) 위상 차를 기반으로 중금속의 농도를 측정하여 마그네타이트의 중금속 제거 효율을 분석한다.
이 때, 위상 차에 비례하게 중금속의 농도를 측정할 수 있다. 따라서, 위상 차가 클수록 마그네타이트에 의해 검출된 중금속의 농도가 큰 것으로 판단할 수 있다. 따라서, 이러한 중금속 검출 농도를 기반으로 마그네타이트를 이용한 중금속 제거 효율을 판단하고, 실제 현장에서도 흡착제로써의 마그네타이트의 주입량을 판단할 수 있다.
저장부(860)는 상술한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 중금속 제거 효율 분석 과정에서 발생되는 다양한 정보를 저장한다.
실시예에 따라, 저장부(860)는 중금속 제거 효율 분석 장치와 독립적으로 구성되어 중금속 제거 효율 분석을 위한 기능을 지원할 수 있다. 이 때, 저장부(860)는 별도의 대용량 스토리지로 동작할 수 있고, 동작 수행을 위한 제어 기능을 포함할 수 있다.
한편, 중금속 제거 효율 분석 장치는 메모리가 탑재되어 그 장치 내에서 정보를 저장할 수 있다. 일 구현예의 경우, 메모리는 컴퓨터로 판독 가능한 매체이다. 일 구현 예에서, 메모리는 휘발성 메모리 유닛일 수 있으며, 다른 구현예의 경우, 메모리는 비휘발성 메모리 유닛일 수도 있다. 일 구현예의 경우, 저장장치는 컴퓨터로 판독 가능한 매체이다. 다양한 서로 다른 구현 예에서, 저장장치는 예컨대 하드디스크 장치, 광학디스크 장치, 혹은 어떤 다른 대용량 저장장치를 포함할 수도 있다.
이와 같이 위상 차를 이용한 중금속 제거 효율 분석 장치를 이용함으로써 고가의 흡착제를 사용하지 않고, 흡착 효율을 실시간으로 분석할 수 있는 분리 분석 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 친환경적으로 재활용할 수 있는 마그네타이트 입자를 흡착제로 이용하여 침전이나 여과 등의 방법을 사용하지 않고도 흡착제를 회수할 수 있다.
또한, 실제 산업 현장에서 사용될 수 있는 실시간 스크리닝 기술을 제공할 수 있으며, 분석되는 물질의 종류를 정확히 알 수는 없어도 고가의 분석 장비를 이용하지 않고 실시간으로 중금속 제거 효율을 분석하는 것이 가능하다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 위상 차 분석을 이용한 중금속 제거 효율 분석 방법 및 이를 이용한 장치는 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
210: 처리조 211: 혼합기
212: 마그네타이트 분리 코일 213: 위상 검출 장치
220: 마그네타이트 재활용조 310, 410: 처리부
320: 전자석 510: 시료
520, 620: 제1 솔레노이드 코일 530, 630: 제2 솔레노이드 코일
540, 720: 제3 솔레노이드 코일 550: 제1 보빈과 제2 보빈 사이의 영역
560: 제2 보빈 내부 영역 610: 제1 보빈
710: 제2 보빈 810: 마그네타이트 분리부
820: 자기장 인가부 830: 고주파 신호 인가부
840: 위상 차 계산부 850: 제거 효율 분석부
860: 저장부
212: 마그네타이트 분리 코일 213: 위상 검출 장치
220: 마그네타이트 재활용조 310, 410: 처리부
320: 전자석 510: 시료
520, 620: 제1 솔레노이드 코일 530, 630: 제2 솔레노이드 코일
540, 720: 제3 솔레노이드 코일 550: 제1 보빈과 제2 보빈 사이의 영역
560: 제2 보빈 내부 영역 610: 제1 보빈
710: 제2 보빈 810: 마그네타이트 분리부
820: 자기장 인가부 830: 고주파 신호 인가부
840: 위상 차 계산부 850: 제거 효율 분석부
860: 저장부
Claims (16)
- 코일 방향이 동일한 제1 솔레노이드 코일과 제2 솔레노이드 코일을 기반으로 중금속이 흡착된 마그네타이트(magnetite)에 자기장을 인가하는 단계;
상기 제1 솔레노이드 코일 및 상기 제2 솔레노이드 코일과 상기 코일 방향이 다른 제3 솔레노이드 코일을 기반으로 상기 마그네타이트에 고주파 신호를 인가하는 단계;
상기 마그네타이트에 의해 변형 고주파 신호를 검출하고, 사전에 검출된 디폴트 고주파 신호와 상기 변형 고주파 신호의 위상 차를 계산하는 단계; 및
상기 위상 차를 기반으로 상기 중금속의 농도를 측정하여 상기 마그네타이트의 중금속 제거 효율을 분석하는 단계
를 포함하고,
상기 변형 고주파 신호는
상기 자기장을 통해 발생하는 상기 마그네타이트의 진동 운동에 의해 상기 고주파 신호가 변형되어 생성되고,
상기 제1 솔레노이드 코일과 상기 제2 솔레노이드 코일은 동일한 방향으로 감겨 평행하게 위치하되, 상기 제3 솔레노이드 코일은 상기 제1 솔레노이드 코일 및 상기 제2 솔레노이드 코일과 다른 방향으로 감겨 상기 제1 솔레노이드 코일 및 상기 제2 솔레노이드 코일의 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 위상 차를 이용한 중금속 제거 효율 분석 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 위상 차를 계산하는 단계는
고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)을 기반으로 상기 디폴트 고주파 신호와 상기 변형 고주파 신호를 각각 주파수 함수로 변환하고, 상기 주파수 함수에 포함된 위상을 비교하여 상기 위상 차를 계산하는 것을 특징으로 하는 위상 차 분석을 이용한 중금속 제거 효율 분석 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 분석하는 단계는
상기 위상 차에 비례하게 상기 중금속의 농도를 측정하는 것을 특징으로 하는 위상 차 분석을 이용한 중금속 제거 효율 분석 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 솔레노이드 코일과 상기 제2 솔레노이드 코일은, 시료 삽입구를 갖는 제1 보빈에 에나멜 코일을 기설정된 턴(turn)만큼 각각 감은 형태에 상응하고,
상기 제3 솔레노이드 코일은, 상기 제1 보빈보다 상기 시료 삽입구가 작고 상기 제1 보빈의 내부에 위치하는 제2 보빈에 상기 에나멜 코일을 감은 형태에 상응하는 것을 특징으로 하는 위상 차 분석을 이용한 중금속 제거 효율 분석 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 디폴트 고주파 신호는
중금속 흡착이 없는 마그네타이트에 상기 자기장과 함께 상기 고주파 신호를 인가하여 검출되는 신호에 상응하는 것을 특징으로 하는 위상 차 분석을 이용한 중금속 제거 효율 분석 방법. - 청구항 2에 있어서,
상기 위상 차를 계산하는 단계는
상기 디폴트 고주파 신호에 상응하는 위상을 0으로 설정하였을 경우의 상기 변형 고주파 신호의 위상을 상기 위상 차의 값으로 추출하는 것을 특징으로 하는 위상 차 분석을 이용한 중금속 제거 효율 분석 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 위상 차를 계산하는 단계는
오실로스코프(Oscilloscope) 및 스펙트럼 분석기(Spectrum analyzer) 중 적어도 하나의 기능을 포함하는 DAQ(Data Acquisition) 시스템을 기반으로 상기 디폴트 고주파와 상기 변형 고주파 신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 위상 차 분석을 이용한 중금속 제거 효율 분석 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 중금속 제거 효율 분석 방법은
마그네타이트가 흡착제로 첨가된 처리수에서 전자석을 이용하여 상기 중금속이 흡착된 마그네타이트를 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 차 분석을 이용한 중금속 제거 효율 분석 방법. - 코일 방향이 동일한 제1 솔레노이드 코일과 제2 솔레노이드 코일을 기반으로 중금속이 흡착된 마그네타이트(magnetite)에 자기장을 인가하는 자기장 인가부;
상기 제1 솔레노이드 코일 및 상기 제2 솔레노이드 코일과 상기 코일 방향이 다른 제3 솔레노이드 코일을 기반으로 상기 마그네타이트에 고주파 신호를 인가하는 고주파 신호 인가부;
상기 마그네타이트에 의해 변형 고주파 신호를 검출하고, 사전에 검출된 디폴트 고주파 신호와 상기 변형 고주파 신호의 위상 차를 계산하는 위상 차 계산부; 및
상기 위상 차를 기반으로 상기 중금속의 농도를 측정하여 상기 마그네타이트의 중금속 제거 효율을 분석하는 제거 효율 분석부
를 포함하고,
상기 변형 고주파 신호는
상기 자기장을 통해 발생하는 상기 마그네타이트의 진동 운동에 의해 상기 고주파 신호가 변형되어 생성되고,
상기 제1 솔레노이드 코일과 상기 제2 솔레노이드 코일은 동일한 방향으로 감겨 평행하게 위치하되, 상기 제3 솔레노이드 코일은 상기 제1 솔레노이드 코일 및 상기 제2 솔레노이드 코일과 다른 방향으로 감겨 상기 제1 솔레노이드 코일 및 상기 제2 솔레노이드 코일의 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 위상 차 분석을 이용한 중금속 제거 효율 분석 장치. - 청구항 9에 있어서,
상기 위상 차 계산부는
고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)을 기반으로 상기 디폴트 고주파 신호와 상기 변형 고주파 신호를 각각 주파수 함수로 변환하고, 상기 주파수 함수에 포함된 위상을 비교하여 상기 위상 차를 계산하는 것을 특징으로 하는 위상 차 분석을 이용한 중금속 제거 효율 분석 장치. - 청구항 9에 있어서,
상기 제거 효율 분석부는
상기 위상 차에 비례하게 상기 중금속의 농도를 측정하는 것을 특징으로 하는 위상 차 분석을 이용한 중금속 제거 효율 분석 장치. - 청구항 9에 있어서,
상기 제1 솔레노이드 코일과 상기 제2 솔레노이드 코일은, 시료 삽입구를 갖는 제1 보빈에 에나멜 코일을 기설정된 턴(turn)만큼 각각 감은 형태에 상응하고,
상기 제3 솔레노이드 코일은, 상기 제1 보빈보다 상기 시료 삽입구가 작고 상기 제1 보빈의 내부에 위치하는 제2 보빈에 상기 에나멜 코일을 감은 형태에 상응하는 것을 특징으로 하는 위상 차 분석을 이용한 중금속 제거 효율 분석 장치. - 청구항 9에 있어서,
상기 디폴트 고주파 신호는
중금속 흡착이 없는 마그네타이트에 상기 자기장과 함께 상기 고주파 신호를 인가하여 검출되는 신호에 상응하는 것을 특징으로 하는 위상 차 분석을 이용한 중금속 제거 효율 분석 장치. - 청구항 10에 있어서,
상기 위상 차 계산부는
상기 디폴트 고주파 신호에 상응하는 위상을 0으로 설정하였을 경우의 상기 변형 고주파 신호의 위상을 상기 위상 차의 값으로 추출하는 것을 특징으로 하는 위상 차 분석을 이용한 중금속 제거 효율 분석 장치. - 청구항 9에 있어서,
상기 위상 차 계산부는
오실로스코프(Oscilloscope) 및 스펙트럼 분석기(Spectrum analyzer) 중 적어도 하나의 기능을 포함하는 DAQ(Data Acquisition) 시스템을 기반으로 상기 디폴트 고주파와 상기 변형 고주파 신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 위상 차 분석을 이용한 중금속 제거 효율 분석 장치. - 청구항 9에 있어서,
상기 중금속 제거 효율 분석 장치는
마그네타이트가 흡착제로 첨가된 처리수에서 전자석을 이용하여 상기 중금속이 흡착된 마그네타이트를 분리하는 마그네타이트 분리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 차 분석을 이용한 중금속 제거 효율 분석 장치.
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